KR101941701B1 - 향상된 물리적 특성을 갖는 인공무릎관절 및 설계방법 - Google Patents

향상된 물리적 특성을 갖는 인공무릎관절 및 설계방법 Download PDF

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Abstract

향상된 물리적 특성을 갖는 인공무릎관절 및 설계방법이 제시된다. 본 발명의 실시예에 따른 인공무릎관절은, 대퇴골의 하단부에 고정되는 대퇴골 컴포넌트와, 경골의 상단부에 고정되어 대퇴골 컴포넌트를 슬라이딩 운동 가능하게 수용하는 경골 플레이트를 구비하는 인공무릎관절로서, 상기 대퇴골 컴포넌트는, 경골 플레이트의 상부면에 형성된 굴곡면을 따라 슬라이딩 운동 가능하도록 굴곡면이 형성된 구조이고, 중앙부에 돌기부가 인입될 수 있는 개구부가 형성되어 있으며, 상기 경골 플레이트의 상부에는, 개구부의 내측으로 인입되어 대퇴골 컴포넌트의 일부면과 면접촉하는 돌기부가 형성되어 있고, 상기 대퇴골 컴포넌트와 경골 플레이트는 카본 단섬유 조직을 포함하는 것을 구성의 요지로 한다.
본 발명에 따르면, 종래 기술에 따른 인공무릎관절 대비 월등히 향상된 물리적 특성을 갖는 인공무릎관절 및 설계방법을 제공할 수 있다.

Description

향상된 물리적 특성을 갖는 인공무릎관절 및 설계방법{Artificial Knee Joint Having Enhanced Physical Property, And Design Method}
본 발명은 인공무릎관절 및 설계방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 향상된 물리적 특성을 갖는 인공무릎관절 및 설계방법에 관한 것이다.
변형성 무릎관절증이나 만성 관절류머티즘 등에 의하여 무릎관절이 고도로 변형된 경우, 정상적인 기능으로 회복시키기 위하여, 인공무릎관절로 치환하는 수술이 행해지고 있다.
인공무릎관절 수술은 각종질환이나 외상 등의 원인으로 인하여 무릎관절이 더 이상 정상적인 일상생활을 하지 못할 정도로 장애가 심할 경우 실시되는 수술이다. 또한, 인공무릎관절 수술은 약물요법, 물리치료 등으로 치료가 불가능하고 다른 수술 방법으로 해결할 수 없는 환자들에게 행해지는 수술이다.
종래 기술에 따른 인공무릎관절 수술은, 대상 환자의 몸 속에 안전한 세라믹, 플라스틱, 금속 등의 소재로 제작된 인공관절을 삽입하는 수술이다.
인공무릎관절 수술은, 무릎관절의 고통을 감소시키고 무릎관절 운동을 거의 정상적으로 가능하게 하는 동시에 무릎관절의 안정성을 얻고 변형을 교정하여 일상적인 생활이 가능하게 해주는 수술이다.
종래 기술에 따른 인공무릎관절은 지속적인 개발로 장기간 사용하여도 손상되거나 마모되지 않도록 다양한 재료들을 사용하여 정상관절에 가깝게 만들어지고 있다.
과거 무릎 인공관절 수술은 통증을 없애는 것을 목적으로 하였다면, 현재는 통증의 해결은 물론 관절 기능의 유지를 함께 할 수 있게 하기 위해 오래 쓰고 잘 구부릴 수 있는 인공관절들이 개발되어 수술에 사용되고 있다.
예를 들면 인공관절의 수명을 늘인 세라믹형 인공관절, 많이 구부릴 수 있는 고굴곡 인공관절, 여성의 무릎 관절에 맞춘 여성형 인공관절 등을 예로 들 수 있다.
도 1에는 대상 환자의 인공무릎관절 전치환술 수술 전과 수술 후의 무릎의 모습을 나타낸 그림이 도시되어 있고, 도 2에는 종래 기술에 따른 인공무릎관절을 나타내는 사진이 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 종래 기술에 따른 인공무릎관절(10)은 대퇴골의 하단부에 고정하는 대퇴골 컴포넌트(11)와 경골의 상단부에 고정하는 경골 컴포넌트를 포함한다. 경골 컴포넌트는 경골에 직접 고정되는 금속제 또는 세라믹제 또는 수지제의 경골 트레이와, 경골 트레이의 상면에 고정되고 대퇴골 컴포넌트와 접촉하는 수지제의 경골 플레이트(인공 연골)로 구성되어 있다.
그러나, 종래 기술에 따른 인공무릎관절은 장기간 사용하게 되면 쉽게 손상되거나 마모되어 이에 대한 문제점이 있다.
또한, 종래 기술에 따른 인공무릎관절의 경우, 특정 위치에 하중이 집중될 경우 국소적으로 현저하게 마모되어, 변형이나 파손될 수 있는 문제점을 가지고 있다.
따라서, 종래 기술에 따른 문제점을 해결할 수 있는 최적의 소재로 제작된 인공무릎관절 및 이를 설계하는 방법에 대한 기술이 필요한 실정이다.
미국등록특허 제4,298,992 (1981.11.10)
본 발명의 목적은, 특정 위치에 하중이 집중될 경우 국소적으로 현저하게 마모되어, 변형이나 파손될 수 있는 종래 기술에 따른 문제점을 해결할 수 있고, 현저히 향상된 물리적 특성을 갖는 최적 소재의 인공무릎관절 및 설계방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 인공무릎관절은, 대퇴골의 하단부에 고정되는 대퇴골 컴포넌트와, 경골의 상단부에 고정되어 대퇴골 컴포넌트를 슬라이딩 운동 가능하게 수용하는 경골 플레이트를 구비하는 인공무릎관절로서, 상기 대퇴골 컴포넌트는, 경골 플레이트의 상부면에 형성된 굴곡면을 따라 슬라이딩 운동 가능하도록 굴곡면이 형성된 구조이고, 중앙부에 돌기부가 인입될 수 있는 개구부가 형성되어 있으며, 상기 경골 플레이트의 상부에는, 개구부의 내측으로 인입되어 대퇴골 컴포넌트의 일부면과 면접촉하는 돌기부가 형성되어 있고, 상기 대퇴골 컴포넌트와 경골 플레이트는 카본 단섬유 조직을 포함하는 구성일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 대퇴골 컴포넌트와 경골 플레이트는 카본 단섬유 조직으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 대퇴골 컴포넌트와 경골 플레이트가 서로 접촉하는 부분에만 카본 단섬유 조직이 함침된 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 대퇴골 컴포넌트는, 경골 플레이트의 상부면에 형성된 굴곡면을 따라 슬라이딩 운동 가능하도록 굴곡면이 형성된 내측팽윤부와 외측팽윤부를 포함하는 구성일 수 있다.
이 경우, 상기 내측팽윤부 및 외측팽윤부의 외부면에는 카본 단섬유 조직이 함침될 수 있다.
또한, 상기 내측팽윤부 및 외측팽윤부는 카본 단섬유 조직으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 내측팽윤부와 외측팽윤부는, 포스트 캠에 의해 서로 연결되어 경골 플레이트에 형성된 돌기부가 인입될 수 있는 개구부를 형성하며, 상기 돌기부는, 개구부의 내측으로 인입되어 대퇴골 컴포넌트 회전 시 포스트 캠의 일측면과 면접촉할 수 있다.
이 경우, 상기 포스트 캠과 면접촉하는 돌기부의 일측면에는 카본 단섬유 조직이 함침될 수 있다.
또한, 상기 돌기부는 카본 단섬유 조직으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 카본 단섬유 조직은, Carbon-PEEK, Carbon epoxy 및 Carbon PE로 구성된 군에서 하나 이상 선택되는 소재로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 카본 단섬유 조직이 Carbon-PEEK 소재로 구성될 경우, 단섬유 카본은 전체 함량 대비 30% 이하가 첨가되고, 상기 카본 단섬유 조직이 Carbon-Epoxy 소재로 구성될 경우, 단섬유 카본은 전체 함량 대비 10 내지 20% 범위 내로 첨가되고, 상기 카본 단섬유 조직이 Carbon-PE 소재로 구성될 경우, 단섬유 카본은 전체 함량 대비 10% 이하가 첨가될 수 있다.
본 발명은 또한, 상기 인공무릎관절을 설계하는 방법을 제공할 수 있는 바, 본 발명의 일 측면에 따른 인공무릎관절 설계방법은, a) 스탠모어 니 시뮬레이터(Stanmore knee simulator) 방식을 이용하여 인공관절에 경계조건을 부여하는 최초세팅단계; b) 인공관절에 3축 방향을 기준으로 하중을 가하여 유한요소해석을 수행하는 해석단계; c) 인공관절을 구성하는 대퇴골 컴포넌트와 경골 플레이트의 소재를 달리하여 최초세팅단계와 해석단계를 재차 수행하는 소재변경 해석단계; 및 d) 소재변경 해석단계를 통해 획득한 데이터를 바탕으로 최적의 소재 및 형성 위치를 도출하는 최종해석단계;를 포함하는 구성일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 소재변경 해석단계에서 선택되는 소재는, Carbon-PEEK, Carbon epoxy 및 Carbon PE로 구성된 군에서 하나 이상 선택되는 소재일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 인공무릎관절에 따르면, 특정 구조의 대퇴골 컴포넌트, 경골 플레이트에 카본 단섬유 조직을 적용함으로써, 종래 기술에 따른 인공무릎관절 대비 월등히 향상된 물리적 특성을 갖는 인공무릎관절을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 인공무릎관절에 따르면, 대퇴골 컴포넌트(110)와 경골 플레이트(120)가 접촉하는 부위에만 카본 단섬유 조직을 함침되거나 형성시킴으로써, 종래 기술에 따른 인공무릎관절 대비 월등히 향상된 물리적 특성을 갖는 인공무릎관절을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 인공무릎관절에 따르면, 적어도 일부에 카본 단섬유 조직이 함침되거나 카본 단섬유 조직으로 구성된 특정 구조의 포스트 캠 및 돌기부를 구비함으로써, 인공무릎관절의 작동을 더욱 안정적으로 유도할 수 있고, 종래 기술에 따른 인공무릎관절 대비 월등히 향상된 물리적 특성을 갖는 인공무릎관절을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 인공무릎관절에 따르면, 특정 함량비에 의해 구성된 카본 단섬유 조직을 특정 위치에 함침되거나 형성시킴으로써, 종래 기술에 따른 인공무릎관절 대비 월등히 향상된 물리적 특성을 갖는 인공무릎관절을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 인공무릎관절 설계방법에 따르면, 특정 구성의 최초세팅단계, 해석단계, 소재변경 해석단계 및 최종해석단계를 포함함으로써, 종래 기술에 따른 인공무릎관절 대비 월등히 향상된 물리적 특성을 갖는 인공무릎관절을 설계할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 대상 환자의 인공무릎관절 전치환술 수술 전과 수술 후의 무릎의 모습을 나타낸 그림이다.
도 2는 종래 기술에 따른 인공무릎관절을 나타내는 사진이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공무릎관절을 나타내는 사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공무릎관절의 경골 플레이트를 나타내는 평면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 인공무릎관절의 대퇴골 컴포넌트와 경골 플레이트가 서로 접촉한 상태를 나타내는 측방향 단면도이다.
도 6은 본 발명에 따른 인공무릎관절의 대퇴골 컴포넌트와 경골 플레이트가 서로 접촉한 상태를 나타내는 정방향 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공무릎관절 설계방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 인공무릎관절 설계방법의 소재변경 해석단계를 나타내는 순서도이다.
도 9는 본 발명에 따른 인공무릎관절에 세 가지 소재를 적용하여 구성한 후, 각각에 대한 시험 결과값을 비교한 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따른 인공무릎관절에 세 가지 소재를 적용하여 구성한 후, 각각에 대한 시험 결과값을 비교한 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 인공무릎관절에 세 가지 소재를 적용하여 구성한 후, 각각에 대한 시험 결과값을 비교한 그래프이다.
도 12는 본 발명에 따른 인공무릎관절에 세 가지 소재를 적용하여 구성한 후, 각각에 대한 시험 결과값을 비교한 그래프이다.
도 13은 본 발명에 따른 인공무릎관절에 세 가지 소재를 적용하여 구성한 후, 각각에 대한 시험 결과값을 비교한 그림이다.
이하 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.
본 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다. 본 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 3에는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공무릎관절을 나타내는 사시도가 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공무릎관절의 경골 플레이트를 나타내는 평면도가 도시되어 있다. 또한, 도 5에는 본 발명에 따른 인공무릎관절의 대퇴골 컴포넌트와 경골 플레이트가 서로 접촉한 상태를 나타내는 측방향 단면도가 도시되어 있으며, 도 6에는 본 발명에 따른 인공무릎관절의 대퇴골 컴포넌트와 경골 플레이트가 서로 접촉한 상태를 나타내는 정방향 단면도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 인공무릎관절(100)은, 대퇴골(1)의 하단부에 고정되는 대퇴골 컴포넌트(110)와, 경골(2)의 상단부에 고정되어 대퇴골 컴포넌트(110)를 슬라이딩 운동 가능하게 수용하는 경골 플레이트(120)를 구비하는 인공무릎관절이다. 또한, 본 실시예에 따른 인공무릎관절(100)의 대퇴골 컴포넌트(110)와 경골 플레이트(120)는 카본 단섬유 조직을 포함하는 구성이다.
따라서, 본 발명에 따른 인공무릎관절(100)은, 특정 위치에 하중이 집중될 경우 국소적으로 현저하게 마모되어, 변형이나 파손될 수 있는 종래 기술에 따른 문제점을 해결할 수 있고, 현저히 향상된 물리적 특성을 갖는 인공무릎관절 및 설계방법을 제공할 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 실시예에 따른 인공무릎관절(100)을 구성하고 있는 각 구성에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본 실시예에 따른 대퇴골 컴포넌트(110)는, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 경골 플레이트(120)의 상부면에 형성된 굴곡면을 따라 슬라이딩 운동 가능하도록 굴곡면이 형성된 구조일 수 있다.
경우에 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 대퇴골 컴포넌트(110)는, 경골 플레이트(120)의 상부면에 형성된 굴곡면을 따라 슬라이딩 운동 가능하도록 굴곡면이 형성된 내측팽윤부(111)와 외측팽윤부(112)를 포함하는 구성일 수 있다.
이때, 대퇴골 컴포넌트(110)와 경골 플레이트(120)가 서로 접촉하는 부분에만 카본 단섬유 조직이 함침될 수 있다. 경우에 따라서, 대퇴골 컴포넌트(110)와 경골 플레이트(120) 자체를 모두 카본 단섬유 조직으로 구성하거나 특정 부위만을 카본 단섬유 조직으로 구성할 수 있다.
상기 언급한 바와 같이, 내측팽윤부(111)와 외측팽윤부(112)가 포함되는 구성일 경우, 내측팽윤부(111) 및 외측팽윤부(112)의 외부면에는 카본 단섬유 조직이 함침될 수 있다. 경우에 따라서, 내측팽윤부(111) 및 외측팽윤부(112) 자체를 카본 단섬유 조직으로 구성할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 대퇴골 컴포넌트(110)의 중앙부에는 경골 플레이트(120)에 형성된 돌기부(130)가 인입될 수 있는 개구부(115)가 형성될 수 있다.
이때, 개구부(115)와 돌기부(130)는 서로 면접촉할 수 있도록 서로 대응되는 구조의 접촉면이 형성됨이 바람직하다. 이 경우, 접촉면에는 카본 단섬유 조직이 함침되거나, 접촉면 자체를 카본 단섬유 조직으로 구성할 수 있다. 더 나아가 돌기부(130) 자체를 카본 단섬유 조직으로 구성할 수 있다.
경우에 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 내측팽윤부(111)와 외측팽윤부(112)는, 포스트 캠(113)에 의해 서로 연결되어 경골 플레이트(120)에 형성된 돌기부(130)가 인입될 수 있는 개구부(115)를 형성할 수 있다.
이 경우, 돌기부(130)는, 개구부(115)의 내측으로 인입되어 대퇴골 컴포넌트(110) 회전 시 포스트 캠(113)의 일측면과 면접촉함이 바람직하다.
이때, 포스트 캠(113)과 면접촉하는 돌기부(130)의 일측면에는 카본 단섬유 조직이 함침될 수 있다.
한편, 상기 언급한 카본 단섬유 조직은, Carbon-PEEK, Carbon epoxy 및 Carbon PE로 구성된 군에서 하나 이상 선택되는 소재로 구성됨이 바람직하다.
구체적으로, 카본 단섬유 조직이 Carbon-PEEK 소재로 구성될 경우, 단섬유 카본은 전체 함량 대비 30% 이하가 첨가됨이 바람직하다.
또한, 카본 단섬유 조직이 Carbon-Epoxy 소재로 구성될 경우, 단섬유 카본은 전체 함량 대비 10 내지 20% 범위 내로 첨가됨이 바람직하다.
또한, 카본 단섬유 조직이 Carbon-PE 소재로 구성될 경우, 단섬유 카본은 전체 함량 대비 10% 이하가 첨가됨이 바람직하다.
상기 언급한 단섬유 카본 함량 범위를 벗어날 경우, 취성이 증가하여 인가되는 하중에 의해 쉽게 파괴될 수 있어 바람직하지 않다.
상기 언급한 단섬유 카본 함량 범위를 만족할 경우, 물리적 특성 중 취성은 저감되고 내마모성이 증가하여 월등히 향상된 물리적 특성을 갖는 인공무릎관절을 구성할 수 있다.
도 7에는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공무릎관절 설계방법을 나타내는 흐름도가 도시되어 있고, 도 8에는 본 발명의 일 실시예에 따른 인공무릎관절 설계방법의 소재변경 해석단계를 나타내는 순서도가 도시되어 있다.
이들 도면을 참조하면, 본 실시예에 따른 인공무릎관절 설계방법(S100)은, 특정 구성의 최초세팅단계(S110), 해석단계(S120), 소재변경 해석단계(S130) 및 최종해석단계(S140)를 포함하는 구성일 수 있다.
구체적으로, 최초세팅단계(S110)는, 유한요소해석을 위한 인공관절 3D 모델을 설정한 후, 니 시뮬레이터(knee simulator) 방식을 이용하여 인공관절에 경계조건을 부여하는 단계이다.
최초세팅단계에서 이용되는 니 니뮬레이터(knee simulator)는, 인공 무릎 관절에 다양한 방향으로 하중을 인가할 때 발생하는 물리적 특성을 검출할 수 있는 여러 방법 중 하나로서, 특별히 그 종류와 방식이 제한되는 것은 아니며, 예를 들어, 스탠모어 니 시뮬레이터(Stanmore knee simulator) 방식일 수 있다.
해석단계(S120)는 인공관절에 3축 방향을 기준으로 하중을 가하여 유한요소해석을 수행하는 단계이다.
소재변경 해석단계(S130)는 인공관절을 구성하는 대퇴골 컴포넌트와 경골 플레이트의 소재를 달리하여 최초세팅단계와 해석단계를 재차 수행하는 단계이다.
이때, 선택될 수 있는 소재는, Carbon-PEEK, Carbon epoxy 및 Carbon PE로 구성된 군에서 하나 이상 선택되는 소재일 수 있다.
상기 언급한 소재에 함유되는 카본은 단섬유 카본으로서, 바람직한 함유량은 이미 앞서 설명하였으므로 이하에서는 생략하기로 한다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 소재변경 해석단계(S130)는, 접촉 응력, 접촉 면적 및 인공관절 운동역학을 도출한 후, 인공관절을 구성하는 각 구성의 소재를 달리한 후, 인공관절 wear 시험을 수행한다. 이후, 인공관절 설계변수를 선정하거나 재료변수를 선정하여 각각에 대한 시험 결과값을 획득하게 된다.
최종적으로 실시되는 최종해석단계(S140)는, 소재변경 해석단계를 통해 획득한 데이터를 바탕으로 최적의 소재 및 형성 위치를 도출하는 단계이다.
따라서, 본 발명의 인공무릎관절 설계방법(S100)에 따르면, 특정 구성의 최초세팅단계(S110), 해석단계(S120), 소재변경 해석단계(S130) 및 최종해석단계(S140)를 포함함으로써, 종래 기술에 따른 인공무릎관절 대비 월등히 향상된 물리적 특성을 갖는 인공무릎관절을 설계할 수 있는 방법을 제공할 수 있다.
도 9 내지 도 13에는 본 발명에 따른 인공무릎관절에 세 가지 소재를 적용하여 구성한 후, 각각에 대한 시험 결과값을 비교한 그래프 또는 그림이 도시되어 있다.
우선 도 9 및 도 10에 도시된 바와 같이, UHMWPE(Ultra High Molecular Weight Polyethylene, 종래 기술에 따른 소재 적용), PEEK, CFR-PEEK의 세 가지 소재를 적용하여 인공무릎관절을 구성한 후, AP translation과 IE rotation값을 통하여 인공관절의 kinematic을 살피고, contact 응력과 면적값을 통하여 인공관절의 물리적 특성을 비교하였다. (AP translation과 IE rotation은 stanmore knee simulation을 수행하였을때 인공관절의 앞뒤방향의 움직임과 내측외측으로의 회전량 결과값을 봄으로써 인공관절의 거동을 살펴보기 위한 값이다.)
비교결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 종래 기술에 따른 소재(UHMWPE)가 적용된 경우에 비하여 본원발명에 따른 PEEK(Carbon-PEEK 소재 적용) 및 CFR-PEEK 소재를 적용한 경우 물리적 특성이 월등히 향상되었음을 알 수 있다.
도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, UHMWPE(종래 기술에 따른 소재 적용), PEEK(Carbon-PEEK 소재 적용), CFR-PEEK의 세 가지 소재를 적용하여 인공무릎관절을 구성한 후, 접촉면적 시험 결과값 및 접촉 압력 시험 결과값을 비교해보았다.
비교결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 종래 기술에 따른 소재가 적용된 경우(UHMWPE)에 비하여 본원발명에 따른 PEEK(Carbon-PEEK 소재 적용) 및 CFR-PEEK 소재를 적용한 경우 물리적 특성이 월등히 향상되었음을 알 수 있다.
도 13에는 (a) UHMWPE(종래 기술에 따른 소재 적용), (b) PEEK(Carbon-PEEK 소재 적용), (c) CFR-PEEK의 세 가지 소재를 적용하여 인공무릎관절을 구성한 후, Wear Contour 시험 결과값을 비교해보았다.
비교결과에서 확인할 수 있는 바와 같이, 종래 기술에 따른 소재가 적용된 경우(UHMWPE)에 비하여 본원발명에 따른 PEEK(Carbon-PEEK 소재 적용) 및 CFR-PEEK 소재를 적용한 경우 물리적 특성이 월등히 향상되었음을 알 수 있다.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
즉, 본 발명은 상술한 특정의 실시예 및 설명에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능하며, 그와 같은 변형은 본 발명의 보호 범위 내에 있게 된다.
1: 대퇴골
2: 경골
10: 종래 기술에 따른 인공무릎관절
11: 대퇴골 컴포넌트(component)
11-1: 내측팽윤부(內側 膨潤部, inner swelling part)
11-2: 외측팽윤부(外側 膨潤部, outter swelling part)
11-3: 포스트 캠(post cam)
12: 경골 플레이트(인공 연골)
13: 경골 컴포넌트(component)
14: 돌기부
100: 인공무릎관절
110: 대퇴골 컴포넌트
111: 내측팽윤부(內側 膨潤部, inner swelling part)
112: 외측팽윤부(外側 膨潤部, outter swelling part)
113: 포스트 캠(post cam)
114: 굴곡면
115: 개구부
120: 경골 플레이트
130: 돌기부
131: 굴곡면

Claims (13)

  1. 대퇴골(1)의 하단부에 고정되는 대퇴골 컴포넌트(110)와, 경골(2)의 상단부에 고정되어 대퇴골 컴포넌트(110)를 슬라이딩 운동 가능하게 수용하는 경골 플레이트(120)를 구비하는 인공무릎관절(100)로서,
    상기 대퇴골 컴포넌트(110)는, 경골 플레이트(120)의 상부면에 형성된 굴곡면을 따라 슬라이딩 운동 가능하도록 굴곡면이 형성된 구조이고, 중앙부에 돌기부(130)가 인입될 수 있는 개구부(115)가 형성되어 있으며, 경골 플레이트(120)의 상부면에 형성된 굴곡면을 따라 슬라이딩 운동 가능하도록 굴곡면이 형성된 내측팽윤부(111)와 외측팽윤부(112)를 포함하고,
    상기 경골 플레이트(120)의 상부에는, 개구부(115)의 내측으로 인입되어 대퇴골 컴포넌트(110)의 일부면과 면접촉하는 돌기부(130)가 형성되어 있고,
    상기 내측팽윤부(111)와 외측팽윤부(112)는, 포스트 캠(113)에 의해 서로 연결되어 경골 플레이트(120)에 형성된 돌기부(130)가 인입될 수 있는 개구부(115)를 형성하고,
    상기 돌기부(130)는, 개구부(115)의 내측으로 인입되어 대퇴골 컴포넌트(110) 회전 시 포스트 캠(113)의 일측면과 면접촉하며,
    상기 대퇴골 컴포넌트(110)와 경골 플레이트(120)가 서로 접촉하는 부분에 카본 단섬유 조직이 함침되어 있고,
    상기 내측팽윤부(111) 및 외측팽윤부(112)의 외부면에는 카본 단섬유 조직이 함침되어 있고,
    상기 포스트 캠(113)과 면접촉하는 돌기부(130)의 일측면에는 카본 단섬유 조직이 함침되어 있으며,
    상기 카본 단섬유 조직이 함침되는 부분은, 돌기부(130)와 포스트 캠(113)의 면접촉 부분, 대퇴골 컴포넌트(110)와 경골 플레이트(120)가 서로 접촉하는 부분에 대한 유한요소해석을 수행하는 해석단계를 통해 획득한 데이터를 바탕으로 설정되는 것을 특징으로 하는 인공무릎관절.
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  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 카본 단섬유 조직은, Carbon-PEEK, Carbon epoxy 및 Carbon PE로 구성된 군에서 하나 이상 선택되는 소재로 구성되는 것을 특징으로 하는 인공무릎관절.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 카본 단섬유 조직이 Carbon-PEEK 소재로 구성될 경우, 단섬유 카본은 전체 함량 대비 30% 이하가 첨가되고,
    상기 카본 단섬유 조직이 Carbon-Epoxy 소재로 구성될 경우, 단섬유 카본은 전체 함량 대비 10 내지 20% 범위 내로 첨가되고,
    상기 카본 단섬유 조직이 Carbon-PE 소재로 구성될 경우, 단섬유 카본은 전체 함량 대비 10% 이하가 첨가되는 것을 특징으로 하는 인공무릎관절.
  12. 제 1 항에 따른 인공무릎관절을 설계하는 방법(S100)으로서,
    a) 스탠모어 니 시뮬레이터(Stanmore knee simulator) 방식을 이용하여 인공관절에 경계조건을 부여하는 최초세팅단계(S110);
    b) 인공관절에 3축 방향을 기준으로 하중을 가하여, 돌기부(130)와 포스트 캠(113)의 면접촉 부분, 대퇴골 컴포넌트(110)와 경골 플레이트(120)가 서로 접촉하는 부분에 대한 유한요소해석을 수행하는 해석단계(S120);
    c) 인공관절을 구성하는 대퇴골 컴포넌트와 경골 플레이트의 소재를 달리하여 최초세팅단계와 해석단계를 재차 수행하는 소재변경 해석단계(S130); 및
    d) 소재변경 해석단계를 통해 획득한 데이터를 바탕으로 소재를 선택하고, 소재의 형성 위치를 도출하는 최종해석단계(S140);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공무릎관절 설계방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 소재변경 해석단계(S130)에서 선택되는 소재는, Carbon-PEEK, Carbon epoxy 및 Carbon PE로 구성된 군에서 하나 이상 선택되는 소재인 것을 특징으로 하는 인공무릎관절 설계방법.
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